Bài giảng Nhập môn điện tử: Chương 4 - ĐH Công nghệ Thông tin

Nhập môn Điện tử

Chương 4
Diode Zener

Chương 4: Điốt Zener

1


Nhập môn Điện tử

1. Tổng quan
Diode Zener là linh kiện bán dẫn loại Silicon có mối nối pn
được thiết kế để hoạt động vùng phân cực nghịch. Điện thế phá
vỡ phân cực nghịch của diode Zener được chỉnh một cách cẩn
thận trong quá trình sản xuất.

Chương 4: Điốt Zener

2


Nhập môn Điện tử

2. Nguyên tắc hoạt động
Diode Zener khi đóng vai trò một ổn áp sẽ luôn duy trì một điện áp không
đổi qua tải dù cho dòng qua tải hay điện áp đầu vào thay đổi.

Hạn chế:
Diode Zener có hiệu suất thấp nếu dòng qua tải lớn.

Điện áp ra sẽ thay đổi nhẹ do mối diode Zener có điện trở nội:

Vout  VZ  I z Z Z
do đó diode Zener chỉ đóng vai trò ổn áp khi không có sự thay đổi lớn
dòng qua tải và điện áp đầu vào.
Chương 4: Điốt Zener

3


Nhập môn Điện tử

3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định)
Xác định trạng thái của
diode zener bằng cách tháo
rời diode zener ra khỏi
mạch và tính hiệu thế V ở
hai đầu của mạch hở

RL
V 
Vi
R  RL
 Nếu VVZ: Diod Zener hoạt động
 Nếu Vhoạt động (xem như mạch hở)

Chương 4: Điốt Zener

4

Nhập môn Điện tử

3. Chế độ hoạt động của diode Zenner (khi điện thế đầu vào và tải cố định)
Nếu V>VZ: Diod Zener hoạt động

IZ  IR  IL ,
Vi  VZ
VZ
IR 
, IL 
R
RL
VL  VZ , PZ  VZ .I Z
Nếu V
IZ  0
Vi
IR  IL 
R  RL
Chương 4: Điốt Zener

5


Nhập môn Điện tử

3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định)
Ví dụ

Cho mạch điện như hình vẽ, xác định các giá trị VR , VL , IZ , PZ
a) R=1k, RL =1,2 k, Vi =16V, VZ =10V.
b) thay RL =3 k

Chương 4: Điốt Zener

6


Nhập môn Điện tử

3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định)
Giải:

a)

1, 2.103
V
Vi 
16  8,73V  VZ  10V
3
R  RL
(1  1, 2).10
RL

Diode Zener không hoạt động, IZ =0A

VL  V  8,73V
VR  Vi  VL  16  8,73  7, 27V
PZ  VZ .I Z  0W

Chương 4: Điốt Zener

7


Nhập môn Điện tử

3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định)
b)

VL  VZ  10V
V

RL
R  RL

VR  Vi  VL  16  10  6V
Vi

3.103

16  12V
3
(1  3).10
V >VZ Diode Zener hoạt động
Chương 4: Điốt Zener

VL
10
IL 


 3,33mA
3
RL 3.10
VR
6

 6mA
3
R 1.10
I Z  I R  I L  6  3,33  2,67 mA
IR 

PZ  VZ .I Z  10.2,67  26,7 mW
8


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zener
4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi

Khi điện áp ngõ vào thay đổi
trong phạm vi định trước, diode
zener duy trì điện áp đặt ngang
qua hai đầu của nó gần như không
đổi. Khi áp vào Vi thay đổi, dòng
IZ thay đổi tỉ lệ với điện áp ngõ
vào trong phạm vi xác định trước
từ: IZK (dòng cực tiểu qua diode

zener) đến IZM (dòng cực đại qua
diode zener).
Điện trở R nối trên ngõ vào,
được gọi là điện trở giới hạn.

Chương 4: Điốt Zener

9


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zener
4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi
Nếu ta giữ RL cố định, Vi phải đủ lớn thì zener mới hoạt động.
Trị số tối đa của Vi được xác định bởi dòng IZM :

I Z  I R  I L  I RMax  I ZM  I L  I ZM 

VL
RL

 ViMax  VRMax  VZ  R.I RMax  VZ
Trị số tối thiểu của Vi để zener có thể hoạt động được xác định bởi:
V
I Z  I R  I L  I RMin  I ZK  I L  I ZK  L
RL

 ViMin  VRMin  VZ  R.I RMin  VZ
Nếu không đề cập đến IZK , ta coi như IZK =0,

RL  R
ViMin 
VZ
RL
Chương 4: Điốt Zener

10


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zener
4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi
Ví dụ:
Cho mạch điện như hình vẽ. Xác định
khoảng biến thiên đầu vào để diod
Zener hoạt động như một ổn áp.
Giải:

ViMin 
IL 

RL  R
1200  220
VZ 
.20  23,67V
RL
1200

VL

20

 16,67mA
RL 1200

I RMax  I ZM  I L
ViMax

 60mA  16,67 mA  76,67 mA
 I RMax .R  VZ
 76,67.103.220  20  36,87V

Chương 4: Điốt Zener

11


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zenner
4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi
Ví dụ:
Cho diode zener có thể điều hòa áp
khi dòng qua zener thay đổi trong
phạm vi từ : IZK = 0,25mA đến IZM
=100mA . Biết R=220 , VZ =10V,
xác định khoảng biến thiên đầu vào để
diod Zener hoạt động như một ổn áp.
Giải:
VRMin  I ZK .R  0,25.103.220  55.103V

 ViMin  VRMin  VZ  0,055  10  10,055V
VRMax  I ZM .R  100.103.220  22V

 ViMax  VRMax  VZ  22  10  32V
 10,055  Vi  32V
Chương 4: Điốt Zener

12


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zenner
4.2 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi

Trong hình trình bày mạch điều
hòa điện áp dùng diode zener khi điện
trở tải thay đổi giá trị. Diode zener duy
trì điện áp đặt ngang qua hai đầu điện
trở tải có giá trị gần như không đổi khi
dòng qua diode zener có giá
trị trong phạm vi I ZK  I Z  I ZKM
 Khi điện trở tải RL= , dòng qua tải bằng 0, tất cả dòng điện đều qua
diode zener; ta nói mạch điều hòa điện áp đang hoạt động tại trạng thái
không tải.
 Khi điện trở được đấu song song với diode zener, trên các nhánh của
zener và điện trở có các dòng điện đi qua. Dòng điện tổng qua điện trở
giới hạn R cần có giá trị không đổi để điện áp trên hai đầu diode zener
được ổn định.

Chương 4: Điốt Zener

13


Nhập môn Điện tử

4. Các ứng dụng của diode Zenner
4.2 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi
Nếu ta giữ VI cố định, RL phải đủ lớn thì zenner mới hoạt động.
Trị số tối đa của RL được xác định bởi dòng IZM :

I Z  I R  I L  I LMin  I R  I ZM
RLMax

VL

I LMin

Trị số tối thiểu của RL để zener có thể hoạt động được xác định bởi:

I Z  I R  I L  I LMax  I R  I ZK
RLMin 

VL
I LMax

Nếu không đề cập đến IZK , ta coi như IZK =0,

RLMin 

Chương 4: Điốt Zener

R.VZ
Vi  VZ
14


Nhập môn Điện tử

3. Các ứng dụng của diode Zener
3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi
Ví dụ
Cho mạch điện như hình vẽ.Xác
định khoảng biến thiên của RL để
điện áp VL luôn ổn định là 10V
Giải:

RLMin

R.VZ
1.103.10


 250
Vi  VZ
50  10

VR Vi  VZ 50  10



 40mA
3
R
R
1.10
I LMin  I R  I ZM  40  32  8mA
IR 

RLMax
Vậy

VL
10


 1250 A
I LMin 8.103

250  RL  1250

Chương 4: Điốt Zener

15


Nhập môn Điện tử

3. Các ứng dụng của diode Zener
3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi
Ví dụ

Cho mạch điện như hình vẽ.Xác định khoảng biến thiên của IL , giá trị
nhỏ nhất và lớn nhất của RL để duy trì tính ổn áp của diode Zener. Biết
1mA< IZ <50mA, VZ =12V

Chương 4: Điốt Zener

16


Nhập môn Điện tử

3. Các ứng dụng của diode Zener
3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi
Giải:

Khi IL =0, dòng qua diode Zener đạt giá trị lớn nhất

I ZMax 

Vi  VZ 24  12

 25,53mA
R
470

Vì giá trị tối đa của dòng qua diode Zener là IZMax < IZM nên giá trị RL
= lả giá trị tối đa của tải và dòng nhỏ nhất qua tải là ILMin =0A
Chương 4: Điốt Zener

17

Nhập môn Điện tử

3. Các ứng dụng của diode Zener
3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi
Giá trị tối đa của dòng qua tải ILMax đạt được khi dòng qua diode Zener
là IZK .
V V
I LMax  I R  I ZK  i Z  I ZK  25,53  1  24,53mA
R
Giá trị cực tiểu của tải RLMin

RLMin 

Chương 4: Điốt Zener

VL
I LMax



12
 489, 2
3
24,53.10

18